基于VHDL的矩陣鍵盤及顯示電路設(shè)計

  FPGA／CPLD在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的廣泛應用，影響到了生產(chǎn)生活的各個方面。在FPGA／CPLD的設(shè)計開發(fā)中，VHDL語言作為一種主流的硬件描述語言，具有設(shè)計效率高，可靠性好，易讀易懂等諸多優(yōu)點。作為一種功能強大的FPGA／CPLD數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，Altera公司推出的Quar-tUSⅡ，為設(shè)計者提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計環(huán)境，使設(shè)計者能方便地進行設(shè)計輸入、快速處理和器件編程，為使用VHDL語言進行FPGA／-CPLD設(shè)計提供了極大的便利。矩陣鍵盤作為一種常用的數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，在各種電子設(shè)備上有著廣泛的應用，通過7段數(shù)碼管將按鍵數(shù)值進行顯示也是一種常用的數(shù)據(jù)顯示方式。在設(shè)計機械式矩陣鍵盤控制電路時，按鍵防抖和按鍵數(shù)據(jù)的譯碼顯示是兩個重要方面。本文在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下，采用VHDL語言設(shè)計了一種按鍵防抖并能連續(xù)記錄并顯示8次按鍵數(shù)值的矩陣鍵盤及顯示電路。

1 矩陣鍵盤及顯示電路設(shè)計思路
    矩陣鍵盤及顯示電路能夠?qū)C械式4×4矩陣鍵盤的按鍵值依次顯示到8個7段數(shù)碼管上，每次新的按鍵值顯示在最右端的第O號數(shù)碼管上，原有第0～6號數(shù)碼管顯示的數(shù)值整體左移到第1～7號數(shù)碼管上顯示，見圖1。總體而言，矩陣鍵盤及顯示電路的設(shè)計可分為4個部分：
    (1)矩陣鍵盤的行及列的掃描控制和譯碼。該設(shè)計所使用的鍵盤是通過將列掃描信號作為輸入信號，控制行掃描信號輸出，然后根據(jù)行及列的掃描結(jié)果進行譯碼。
    (2)機械式按鍵的防抖設(shè)計。由于機械式按鍵在按下和彈起的過程中均有5～10 ms的信號抖動時間，在信號抖動時間內(nèi)無法有效判斷按鍵值，因此按鍵的防抖設(shè)計是非常關(guān)鍵的，也是該設(shè)計的一個重點。
    (3)按鍵數(shù)值的移位寄存。由于該設(shè)計需要在8個數(shù)碼管上依次顯示前后共8次按鍵的數(shù)值，因此對已有數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用也是該設(shè)計的重點所在。
    (4)數(shù)碼管的掃描和譯碼顯示。由于該設(shè)計使用了8個數(shù)碼管，因此需要對每個數(shù)碼管進行掃描控制，并根據(jù)按鍵值對每個數(shù)碼管進行7段數(shù)碼管的譯碼顯示。

2 矩陣鍵盤及顯示電路的實現(xiàn)
    本文所設(shè)計的矩陣鍵盤及顯示電路的電路符號如圖2所示。其中，clk為時鐘信號輸入端(頻率可為1 024～32 768Hz)；start為清零控制端；kbrow為列掃描信號輸入端；kbeol為行掃描信號輸出端；scan為數(shù)碼管地址掃描信號輸出端；seg7為數(shù)碼管顯示信號輸出端。
    限于篇幅，在此不詳述所設(shè)計矩陣鍵盤及顯示電路的全部VHDL代碼，只對部分重要代碼段落進行詳細說明。

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    如圖1所示，全部代碼由7個進程(process)組成。其中，進程P1和P2用于對列掃描輸入信號kbrow進行讀取，并通過或非運算產(chǎn)生行掃描使能控制信號en對行掃描輸出信號kbcol進行控制，并生成一個與kbcol對應的狀態(tài)信號state。若沒有按鍵被按下(即kbrow="0000")，則en= '1'，行掃描輸出信號kbcol不斷循環(huán)掃描各行；若有按鍵被按下，en=‘O’，則行掃描停止，并鎖存當前kbcol的值。進程P1和P2的代碼如下：


    進程P3使用“case…when”語句，根據(jù)狀態(tài)信號state的值(即kbcol的值)和列掃描輸入信號kbrow的值進行按鍵值譯碼，生成一個4位二進制按鍵數(shù)值信號dat，用以記錄當前按鍵值。例如，當kbcol=“0010”，kbrow=“0001”時，“B”鍵按下，dat=“1011”。進程P3的代碼在此不再贅述。
    進程P4和P5用于按鍵的防抖和按鍵值的移位寄存。通過將行掃描使能控制信號en不斷賦給一個8位二進制變量reg8，再將reg8賦給8位二進制信號key，實現(xiàn)對按鍵狀態(tài)的記錄，然后通過對key的各位數(shù)值進行與運算，生成防抖控制信號fnq。一旦有按鍵按下，en=‘O’，則即便是按鍵在抖動，key中至少也有1位數(shù)值為‘0’，從而使fnq=‘O’。只有當按鍵再次彈起，并且在連續(xù)8個時鐘周期內(nèi)不再有新的按鍵按下，key的數(shù)值全為‘1’，則fnq=‘1’，fnq產(chǎn)生一個上升沿，從而觸發(fā)按鍵數(shù)值信號dat進入數(shù)值寄存信號temp(32位二進制數(shù))的第0～3位，并將temp原來的第0～27位左移到第4～31位，實現(xiàn)1次按鍵按下的數(shù)值存儲。進程P4和P5的代碼如下：
   
    進程P6用于將數(shù)值寄存信號temp的32位二進制數(shù)分配給8個數(shù)碼管，從而生成數(shù)碼管地址掃描輸出scan，以及數(shù)碼管數(shù)值信號data(4位2進制數(shù))。進程P6代碼如下：
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    進程P7用于將數(shù)碼管數(shù)值信號data譯碼成為7段數(shù)碼管顯示輸出seg7，進程P7的代碼在此不再贅述。值得注意的是，本文設(shè)計的矩陣鍵盤及顯示電路在按鍵防抖和數(shù)據(jù)寄存部分設(shè)計得更加簡潔可靠，實現(xiàn)的功能更加強大，其具有如下特點：
    (1)為了實現(xiàn)按鍵防抖，本文采用對按鍵狀態(tài)連續(xù)記錄的方式，即在按鍵彈起后連續(xù)8個時鐘周期均無按鍵信號才確認1次按鍵有效，從而避免了按鍵按下和彈起過程中的數(shù)據(jù)抖動，相比于使用計數(shù)器從按鍵按下開始計數(shù)，直到5～10 ms后才讓按鍵有效的防抖方式，這里設(shè)計的按鍵防抖更加可靠，且可有效避免長時間按下按鍵產(chǎn)生的重復數(shù)據(jù)輸出，使每次按鍵無論時間長短均可且只會產(chǎn)生1次數(shù)據(jù)輸出。另外，當電路采用32 768 Hz以上的時鐘作為系統(tǒng)時鐘時，可以通過增加按鍵狀態(tài)連續(xù)記錄的時鐘周期數(shù)，實現(xiàn)可靠的防抖。
    (2)該設(shè)計采用一個32位一維數(shù)組temp作為數(shù)據(jù)寄存器，使用移位寄存方式，實現(xiàn)了對連續(xù)8次按鍵數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用，從而可以在8個數(shù)碼管上連續(xù)顯示數(shù)據(jù)。

3 仿真結(jié)果分析
    本文設(shè)計的矩陣鍵盤及顯示電路在QliartusⅡ開發(fā)環(huán)境下進行了仿真驗證。其中，按鍵防抖功能的仿真波形如圖3所示。仿真結(jié)果分析如下：
    (1)clk為時鐘輸入信號，作為系統(tǒng)時鐘；
    (2)start為清零控制端，當其為高電平時，按鍵有效；
    (3)kbrow為列掃輸入信號，kbcol為行掃輸出信號，圖3中對kbrow[1]的輸入波形進行設(shè)置，模擬了“A”鍵按下和彈起的過程；
    (4)fnq為防抖控制信號，scan為數(shù)碼管地址掃描輸出，seg7為數(shù)碼管顯示輸出。由圖3可知，只有在按鍵彈起后，才有數(shù)據(jù)輸出，從而實現(xiàn)防抖功能。

    該設(shè)計的其他功能也可以通過仿真驗證，不再贅述。

4 結(jié)語
    本文設(shè)計矩陣鍵盤及顯示電路在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下進行仿真驗證后，下載到湖北眾友科技實業(yè)股份有限公司的ZYllEDAl3BE實驗箱中進行了硬件驗證。該實驗箱使用ACEXlK系列EPlK30QC208芯片作為核心芯片。實驗證明，當電路的系統(tǒng)時鐘頻率在1 024～32 768 Hz范圍內(nèi)時，電路均可穩(wěn)定運行，按鍵防抖可靠、功能完整。當系統(tǒng)時鐘頻率低于1 024 Hz時，需要減少防抖記錄時鐘周期的個數(shù)，否則容易錯過短時按鍵動作；當系統(tǒng)時鐘頻率高于32 768 Hz時，需要增加防抖記錄時鐘周期的個數(shù)，以確?？煽康陌存I防抖。